DISEÑO DE CARCAMO DE BOMBEO

1. INTRODUCCION

Los cárcamos de bombeo cuya función es elevar el agua de una cota

inferior a otra superior, con el propósito de hacer que el agua

posteriormente llegue a su destino por gravedad. Así mismo, los

cárcamos son pieza fundamental para mitigar las inundaciones que

ocurren en nuestro país en relación con el drenaje sanitario y pluvial.

Puesto que el objetivo básico de un cárcamo es elevar el agua, estos se

componen por cámaras, bombas y equipos auxiliares.

Los cárcamos de bombeo consisten básicamente de dos componentes,

la estructura para interceptar y contener el agua donde se homogeniza

la carga de bombeo y se encuentran el equipo complementario, y otra

que sirve para proporcionar la energía necesaria para elevar el agua

acumulada y que constituye el equipo de bombeo. El diseño de los

primeros y la selección de los segundos son básicos para el correcto

funcionamiento de los cárcamos. (CONAGUA)

2. CONCEPTOS BÁSICOS

Los cárcamos de bombeo se usan para impulsar todo tipo de agua

(residual, pluvial, industrial, etc.) cuando:

La cota del área de donde se capta el agua es muy baja como para

drenar por gravedad a colectores existentes o en proyecto.

Se requiere drenar a zonas situadas fuera de la cuenca vertiente.

El bombeo disminuya los costos para instalar el alcantarillado

posterior para dar servicio a una zona determinada.

2.1. CLASIFICACIÓN

Los cárcamos de bombeo se pueden clasificar de diversas formas

acuerdo con:

• Su capacidad.

• El método de construcción empleado (en el sitio, prefabricados,

etc.).

• La ubicación de las bombas.

• La fuente de energía (eléctrica, motores diesel, etc.).

2.1.1. Por la capacidad

En la Tabla 2.1 se aprecia una clasificación de acuerdo con su capacidad

para dos tipos de cárcamos (prefabricados y convencionales).

La capacidad de los cárcamos convencionales oscilan entre 0.02 y >0.65

m3/s. Se emplean cuando: 1) las condiciones locales impiden el uso de

cárcamos prefabricados, 2) la magnitud o la variación del caudal es tal

que excede la capacidad manejada por las instalaciones prefabricadas.

En otras palabras, cada uno es diseñado en forma específica para

adecuarlo a las condiciones locales.

2.1.2. Por el método constructivo

Los cárcamos prefabricados son suministrados en módulos que incluyen

todos los equipos y componentes ya montados. En los últimos años, las

instalaciones prefabricadas se han popularizado y se llega a conseguir

en la actualidad instalaciones de capacidades superiores.

2.1.3. Por la ubicación de las bombas

Los cárcamos de bombeo pueden poseer dos cámaras, una seca y otra

húmeda. En la primera se colocan los equipos de bombeo, en tanto que

en la segunda se almacena el agua. Esta combinación conforma un

cárcamo seco. Para pequeños volúmenes, se usan cárcamos húmedos

en los cuales el equipo de bombeo está sumergido en el agua, en tanto

que el equipo eléctrico se ubica a pie del cárcamo.

2.1.3.1.Cárcamos secos

Se denominan así por la presencia de una cámara seca situada

adyacente a la de succión donde se alberga las bombas, la tubería de

succión e impulsión y sus correspondientes válvulas. A lo largo de la

pared que separa las cámaras hay un canal de drenaje que recoge y

transporta las fugas que puedan producirse, así como el agua

procedente del drenaje de las bombas y de la limpieza de la cámara

seca.

El piso de la cámara seca debe tener una pendiente hacia el canal de

drenaje y éste, a su vez, otra de 10 mm/m hacia el sumidero.

En cárcamos de bombeo profundos, se debe contar con un piso

intermedio entre la superficie del terreno y el fondo de la cámara seca,

donde se colocan los motores que accionan las bombas. En cárcamos

poco profundos, los motores se colocan sobre el piso de la cámara, la

cual debe ser diseñada lo suficientemente separadas para permitir la

extracción de motores, bombas, tuberías y otros componentes.

2.1.3.2.Cárcamos húmedos

La cámara de succión o pozo de bombeo sirve para almacenar el agua

residual antes de su bombeo. Su volumen depende del tipo de bombas

que se emplean, ya sean de velocidad constante o variable. Si se eligen

bombas de velocidad constante, el volumen debe ser tal que evite ciclos

de funcionamiento demasiado cortos, pues ello provoca una frecuencia

elevada de paros y arranques.

Otras funciones de la cámara de succión son conseguir la suficiente

sumergencía de los ductos de la succión de las bombas para evitar la

formación de vórtices así como amortiguar la transición del caudal

desde la llegada del agua a las tuberías de succión de las bombas.

Básicamente la cámara de succión consiste de un pozo de registro de

dimensiones superiores a las normales. El nivel mínimo del agua se debe

situar a una cota tal que no permita la entrada de aire a la tubería de

succión por la formación de vórtices. La parte superior de la voluta se

debe ubicar por debajo del nivel mínimo del agua para eliminar la

posibilidad de que el aire entre en la bomba.

Cárcamos de bombeo con bombas sumergibles

Los cárcamos de bombeo con bombas sumergibles se encuentran

disponibles en el mercado desde hace muchos años, aunque su uso en

redes de alcantarillado había sido limitado por problemas de

mantenimiento. Su uso se ha incrementado al incorporar un sistema de

fijación que permite extraer las bombas sin afectar a la tubería de

descarga, mediante guías.

Los cárcamos de este tipo existen prefabricados en placa de acero. Las

válvulas pueden instalarse en la misma cámara de bombeo, pero el

mantenimiento es más sencillo cuando se colocan en una cámara

independiente.

Las características generales de los diferentes tipos de cárcamos de

bombeo se resumen en la Tabla 2.2.

2.2. HIDRÁULICA

2.2.1. CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL CÁRCAMO

El volumen mínimo necesario del cárcamo de bombeo depende del tipo

y funcionamiento de las bombas. Si éstas son de velocidad variable, de

forma que se varía el caudal de bombeo de acuerdo con el agua residual

que llega al cárcamo, el volumen requerido es pequeño, siendo

suficiente aquel que permita el cambio de la capacidad de bombeo

cuando se arranca o para una bomba antes de alcanzar el nivel definido

para este. Normalmente, este tiempo suele ser inferior a un minuto.

En cambio las bombas de velocidad constante o de dos velocidades

necesitan mayores volúmenes de almacenamiento para evitar ciclos

demasiado cortos. El tiempo entre arranques es función de los caudales

de bombeo que entran al cárcamo. En bombas con motores de dos

velocidades, el caudal de bombeo es la diferencia entre el caudal

correspondiente a cada velocidad. El tiempo entre arranques para

motores de potencia inferior a 15 kW puede reducirse hasta 10 minutos

aunque es recomendable adoptar 15 minutos. Para motores de

inducción de jaula de ardilla con potencias entre 15 y 75 kW, el tiempo

entre arranques debe de ser mayor a 15 minutos. Para potencias

superiores a 75 kW pero inferiores a 200 kW, el tiempo entre arranques

debe estar comprendido entre 20 y 30 minutos. Para motores mayores a

200 kW se recomienda consultar con el fabricante.

El volumen comprendido entre los puntos de arranque y paro de una

sola bomba o un solo escalón de control de velocidad para bombas de

dos velocidades, está dado por:

V=θq4

Donde:

V: Capacidad necesaria, m3

θ: Tiempo mínimo de un ciclo de bombeo (tiempo entre arranques

sucesivos o cambios de velocidad de una bomba que funciona

entre los límites de un intervalo de control), min.

q: Capacidad de la bomba o incremento del gasto del bombeo

cuando una bomba se encuentra en funcionamiento y arranca una

segunda o cuando se aumenta la velocidad del motor, m3/min.

El tiempo mínimo del ciclo de funcionamiento de una sola bomba ocurre

cuando el caudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la

capacidad de la bomba. En estas condiciones, la duración en

funcionamiento y paro son iguales. Para caudales de entrada mayores,

el tiempo de funcionamiento es mayor y el de paro menor, mientras que

para caudales de entrada menores, ocurre lo contrario. En ambos casos,

el tiempo de ciclo es mayor.

2.2.2. VOLUMEN MÁXIMO

En general siempre se establece un tiempo de retención máximo en el

cárcamo para minimizar el desarrollo de condiciones sépticas y

producción de olores que conduce a su vez a un volumen máximo. A

menudo, este se establece en 10 min, para el caudal medio del

proyecto. Desgraciadamente, este valor con frecuencia se contrapone

con la necesidad de disponer de volumen adecuado para evitar ciclos de

funcionamiento de las bombas demasiado cortos. Por esto se instalan

varias bombas o bombas de dos velocidades para reducir el incremento

del caudal de bombeo y, en consecuencia, el volumen necesario.

Además, se puede minimizar la producción de olores si el nivel mínimo

del agua en el cárcamo se encuentra por encima de la zona cuyo fondo

tiene una pendiente, lo cual se logra al hacer que dicho nivel concuerde

con la primera bomba dentro de la secuencia de bombeo.

2.2.3. DIMENSIONES DEL SISTEMA

La función del depósito del cual se va a tomar agua, es proporcionar una

distribución del flujo hacia la campana de succión. Una distribución

desigual se caracteriza por fuertes corrientes locales que favorecen la

formación de torbellinos y con bajos valores de profundidad que pueden

introducir aire a la bomba, reduciendo su capacidad y produciendo

mucho ruido.

El nivel adecuado de profundidad depende, principalmente, del acceso a

la toma y del tamaño de la bomba. Los fabricantes de bombas,

generalmente proporcionan información sobre los problemas

específicos, cuando el diseño del cárcamo es en forma preliminar, y si

este diseño contiene todos los dibujos necesarios para la instalación que

proporcionen las limitaciones físicas del lugar.

2.2.3.1.Altura

En los sistemas de bombeo, el término altura se refiere tanto a una

bomba como a un sistema de tuberías. La altura de una bomba es la

distancia a la que puede elevar el líquido y se mide en metros de

columna del líquido bombeado. La altura necesaria para vencer las

pérdidas que se producen en las conducciones de un sistema a un

caudal dado es la altura del sistema.

El término altura expresa la distancia vertical entre la superficie libre de

agua y una cota de referencia. Por ejemplo, si se conecta a una tubería a

presión un tubo vertical de diámetro pequeño con el extremo superior

abierto, la altura en la distancia media entre la superficie libre del

líquido en el tubo y el eje de la tubería a presión.

Los términos que se utilizan específicamente en el análisis de bombas y

sistemas de bombeo son: